【摘要】：為了改善能源短缺的現(xiàn)狀、滿足日趨嚴格的排放法規(guī),發(fā)展內(nèi)燃機替代清潔燃料以及嚴格控制內(nèi)燃機排放污染物迫在眉睫。生物柴油作為一種可再生能源,由于存在諸多優(yōu)點近年來在全世界已經(jīng)被廣泛研究和應用,但是生物柴油還存在著在柴油機上使用會造成較高的NO_x排放等問題。低溫燃燒作為一種新型的燃燒方式,由于其可以同時降低NO_x和碳煙排放,已成為當下內(nèi)燃機領域研究的熱點,因此在柴油機上燃用生物柴油時可以通過將燃燒模式轉(zhuǎn)化為低溫燃燒來降低較高的NO_x排放。本文以4JB1渦輪增壓柴油機為研究對象,為了給柴油機燃用生物柴油實現(xiàn)低溫燃燒提供理論依據(jù),首先對比了柴油機燃用柴油與生物柴油的燃燒過程、動力性、經(jīng)濟性、排放性。研究發(fā)現(xiàn),柴油機燃用生物柴油的確出現(xiàn)了NO_x排放高的特點,為了降低NO_x排放,需要將生物柴油的燃燒模式轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏厝紵Ｓ捎诘蜏厝紵枰^高的EGR率來實現(xiàn),會受到負荷限制,本文首先在小負荷工況下研究了EGR單獨作用對柴油和生物柴油的影響。基于EGR單獨作用的結(jié)果結(jié)合4JB1機型的特點選擇了噴油正時和噴油壓力作為實現(xiàn)低溫燃燒的輔助手段,最終通過三種不同手段分別實現(xiàn)了生物柴油的低溫燃燒。研究表明:(1)柴油機燃用等量的生物柴油和柴油時,生物柴油的扭矩輸出低于柴油;同一工況下,生物柴油相比柴油的油耗率和NO_x排放升高,碳煙、CO和HC排放降低。(2)單純的引入EGR可以降低生物柴油的NO_x排放,但是EGR對碳煙、HC和CO排放的惡化效果大于生物柴油的優(yōu)化效果。在小負荷時最大EGR率處,生物柴油的油耗率比柴油機原機低。(3)推遲噴油正時可以同時降低生物柴油的NO_x和碳煙排放,但過度推遲噴油正時會對生物柴油較低的經(jīng)濟性造成進一步惡化,而且會使CO和HC排放升高,此時生物柴油對CO和HC排放的優(yōu)化作用不強。(4)在較小EGR率和較晚噴油綜合作用下,NO_x和碳煙排放相比原機可分別下降54.36%和1.36%,實現(xiàn)了生物柴油的低溫燃燒,且此時油耗率相比原機下降0.08%,但是CO和HC嚴重惡化。(5)單純地提高噴油壓力可以降低碳煙、CO和HC排放,同時略微改善了生物柴油的經(jīng)濟性。噴油壓力較高時生物柴油的NO_x排放相對于柴油的增幅變小,但是生物柴油的NO_x排放仍高于柴油。(6)在較小EGR率和較高噴油壓力綜合作用下,NO_x和碳煙排放相比原機分別可下降8.57%和9.98%,實現(xiàn)了生物柴油的低溫燃燒,但此時油耗率、CO和HC排放略有上升。
【圖文】：

器（DPF）。但是，后處理技術還存在許多問題：一是復雜的后處理器中含有貴金屬，增加了內(nèi)燃機制造的成本；二是后處理器的增加使得控制策略更為復雜，，如果使用不當反而會降低燃油經(jīng)濟性。此外，新型燃燒方式已經(jīng)成為當下內(nèi)燃機領域研究的熱點[28-31]。由此可見，采用機內(nèi)凈化的方式，發(fā)展先進的內(nèi)燃機燃燒技術，通過優(yōu)化柴油機的燃燒過程來控制排放源頭才是更為可行的手段。因此發(fā)展新型燃燒方式從源頭降低排放迫在眉睫。1.3.2低溫燃燒內(nèi)燃機的碳煙和NOx排放與缸內(nèi)燃燒溫度T和混合物的當量比φ密切相關，如圖1-1所示。從圖1-1中可以看出，傳統(tǒng)的柴油機燃燒路徑必然會經(jīng)過碳煙和NOx生成區(qū)，為了降低NOx和碳煙排放的產(chǎn)生，就要基于φ-T圖尋找新的燃燒路徑，從源頭上控制碳煙和NOx的生成。圖1-1表明了三種新型燃燒模式[32]：（1）均質(zhì)混合氣壓燃（HomogeneousChargeCompressionIgnition，HCCI）（2）預混壓燃（PremixedChargeCompressionIgnition，PCCI）（3）低溫燃燒（LowTemperatureCombustion，LTC）。圖1-1傳統(tǒng)和新型燃燒方式的φ-T圖由圖1-1可以看出，這三種燃燒模式基本上都可以避開NOx和碳煙生成區(qū)域，改善NOx和碳煙排放此消彼長的關系。下面簡單對比一下三種燃燒模式的優(yōu)劣：（1）HCCI技術均質(zhì)混合氣壓燃（HCCI）的本質(zhì)是稀薄預混合氣低溫燃燒，在燃燒開始之前燃料

放熱率曲線可以得到燃燒速率曲線，沒有分析計算缸內(nèi)燃燒機理，因此無法預測排放物[54]。GT-POWER自帶的比較常用的兩種柴油機非預測燃燒模型有兩種：EngCylCombProfile和EngCylCombDIWiebe。可預測燃燒模型是根據(jù)所輸入的柴油機的結(jié)構參數(shù)和運行參數(shù)等通過計算分析得到燃燒速率，通過對輸入變量的分析得到缸內(nèi)的物理、化學反應過程的機理，從而能夠?qū)ε欧胚M行預測。GT-POWER自帶的比較常用的兩種柴油機可預測燃燒模型分別為EngCylCombDIJet和EngCylCombDIPulse。(1)EngCylCombDIJet模型是以廣安博之噴霧模型為基礎構成的，如圖2-1所示。該模型假定油束的濃度分布與燃燒過程無關，僅與空氣渦流有關。以實測數(shù)據(jù)為計算基礎，通過半經(jīng)驗方程模擬燃油的噴射過程。燃油噴霧區(qū)域由燃油區(qū)、未燃區(qū)和已燃區(qū)三大部分組成。每個部分都劃分有若干軸向和徑向的網(wǎng)格，把每個網(wǎng)格近似成相互絕熱的、各物理量均勻分布的零維化學-熱力學系統(tǒng)，每個網(wǎng)格單獨進行計算，所以計算量比較大[55]。圖2-1廣安博之噴霧模型圖2-2雙區(qū)燃燒模型(2)EngCylCombDIPulse模型是以SRajkumar等人提出的雙區(qū)燃燒模型為基礎構成的，如圖2-2所示。氣缸被劃分為噴霧區(qū)和環(huán)境區(qū)兩大部分。噴霧區(qū)被火焰鋒面包圍，由燃料和燃燒產(chǎn)物組成；環(huán)境區(qū)位于火焰鋒面以外，由燃料和空氣組成。兩個區(qū)域雖然組成成分不同但是壓力相等。模型在定義過程中需要分別對卷吸、滯燃期、預混燃
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TK421.2

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本文編號：2641641